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第五節(jié) 載體

    截體是化活性物質(zhì)的分散劑、粘合物或支持物。為了使用上的方便，可將我體分為低比表面和高比表面兩類。低比表面載體際上是由單獨的小顆粒組成，成者是具有平均孔徑大于200的粗孔物質(zhì)。許多工業(yè)化過程，需要比表面通常大于50米平均孔徑小于200A的高比表面載體。在制備化劑時，并不總是選擇高比表面載體。當(dāng)物質(zhì)的化活性很高，進(jìn)一步反應(yīng)會使選性下降時，常常選擇低比表面載體。常用的截體列于表1-2

    最初使用載體的目的，只是為了增加催化活性物質(zhì)的比表面。但是后來發(fā)現(xiàn)載體的作用是復(fù)雜的。它常常與催化活性物質(zhì)發(fā)生某種化學(xué)作用，改變了活性物質(zhì)的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，因而改變了化劑的活性和選擇性。因此，在通常的情況下，在制備催化劑時載體并不是可以任意選擇的。

一、載體的機(jī)械作用

    很多物質(zhì)雖然具有滿意的催化活性，但是難于制成高分散的狀態(tài)，或者即使能制成細(xì)分散的微粒，但在高溫的條件下也難于保持這種大的比表面，所以還是不能滿足對工業(yè)催化劑的基本要求。在這種情況下將活性物質(zhì)沉積在熱穩(wěn)定性高的載體上，或者活性物質(zhì)與熱穩(wěn)定性高的物質(zhì)共沉淀，常常可以制得壽命足夠長的催化劑。

    有一些氧化物，如氧化鉬和氧化鉻，很難制成細(xì)分散的粒子，但是如果用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ确秸f用浸漬法，使含鉬和鉻的化合物沉積在氧化鋁上，就可以制得高分散大比表面的催化劑。這時載體氧化鋁起了分散作用。

    許多金屬和非金屬活性物質(zhì)盡管熔點比較高，在高溫操作的條件下，由于熔結(jié)也難于維持大的比表面。例如純金屬銅甚至在低于200℃的溫度下，也會由于熔結(jié)而迅速降低活性。因此用氫氣加熱還原的方法來制備金屬銅催化劑是困難的?？墒侨绻醚趸X為載體，用共沉淀方法制備催化劑時，加熱到250℃也不發(fā)生明顯的熔結(jié)。

    一些貴金屬催化劑，雖然熔點很高，但在溫度高于400℃長期操作的情況下，能夠觀察到這些金屬晶粒的增長，因而導(dǎo)致活性下降。如果把這些金屬載在氧化鋁上，甚至使用數(shù)年也不見晶粒顯著變大。

    顯然，在上述這些情況下，載體起到抑制晶粒增長的作用。

    當(dāng)選用大比表面載體時，載體的平均孔徑和孔徑分布這些數(shù)據(jù)是不可缺少的。特別是在使用固定床反應(yīng)器情況下，催化劑粒徑一般在數(shù)毫米以上，反應(yīng)速度的控制步驟通常是物質(zhì)在催化劑孔內(nèi)的擴(kuò)散。

    對于由烴類氧化制取含氧化合物或炔烴、烯烴的選擇加氫以及其他某些反應(yīng)，所需產(chǎn)物相對說來是不穩(wěn)定的，因此為了提高產(chǎn)物的收率，除選用高選擇性的活性物質(zhì)外，具有適宜孔結(jié)構(gòu)的載體也是非常重要的。以丙烯氣相化氧化生產(chǎn)丙烯盛為，在反應(yīng)中生成的丙烯可能在催化劑上進(jìn)一步氧化生成二氧化碳和水，即丙烯[O]/催化劑→丙烯醛[O]/催化劑→CO2+H2O

對于這種類型的反應(yīng)，化劑的孔愈細(xì)和愈長反應(yīng)選擇性愈差。因為生成的丙烯醛分子在擴(kuò)散到顆粒外以前，加了與活性物質(zhì)在孔內(nèi)碰撞的幾率。也就是說，增加了丙烯醛進(jìn)一步氧化生成CO2和H2O的機(jī)會，從而降低了反應(yīng)的選擇性。因此對這類反應(yīng)，如果能采用流化床反應(yīng)器，則基本上可以克服這一缺點。否則就應(yīng)當(dāng)選擇這樣的載體，這種載體既具有能提供足夠工作表面的細(xì)孔，又具有便于氣體分子輸送的粗孔。對于有些反應(yīng)則需選擇無孔或少孔的小顆粒載體，以防有用產(chǎn)物遭到破壞。例如由乙烯氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的銀催化劑，常選用小比表面載體剛玉或碳化硅。

     在現(xiàn)代工業(yè)催化過程中，多果用固定床反應(yīng)器。為了反應(yīng)工程上的目的，通常用各種方法將載體制成具有足夠機(jī)械強(qiáng)度(硬度、耐磨性、耐壓強(qiáng)度等)和孔隙度的顆粒。常見的顆粒形狀為片狀、圓柱狀、丸狀、球狀和環(huán)狀等。采用這些載體，向反應(yīng)內(nèi)充填或取出催化劑時操作容易也不致被碰碎，在床層中氣流具有良好的流通性能，并且當(dāng)催化劑床層中壓力降相當(dāng)大時也能經(jīng)受得住而不致破裂。對于移動床或流化床用的載體，載體的耐性顯得特別重要，常常采用特殊的制造方法。此外，用于強(qiáng)烈的放熱或吸熱反應(yīng)的載體，載體的耐熱性比熱和導(dǎo)熱性能也是重要的因素。

二、載體的化學(xué)作用

    當(dāng)把活性物質(zhì)載在載體上時，常常觀察到載體與活性物質(zhì)之間生成了新的化合物或固溶體。這時活性物質(zhì)的化學(xué)組成發(fā)生了變化，從而使催化劑的活性和選擇性改變。這時載體的作用就不再是簡單的機(jī)械作用，而是兼起某種化學(xué)作用了。由于不同的載體具有不同的化學(xué)表面，對于同一活性物質(zhì)的微晶粒的不同晶面，可能暴露的幾率不同，因而催化性質(zhì)也會不一樣。

    由上所述可知，同一化活性物質(zhì)由于載體和載持方法不同，催化劑的活性、選擇性和耐毒物性能可能發(fā)生本質(zhì)上的變化。例如用共沉淀法分別以氧化硅和氧化鋁為載體制得的鎳催化劑，對烯烴的加氫反應(yīng)和對烷烴的加氫裂解反應(yīng)，表現(xiàn)了不同的催化性能。以氧化硅為載體時，對兩類反應(yīng)都呈現(xiàn)催化活性的增加。可是當(dāng)用氧化鋁為載體時，僅對烯烴加氫反應(yīng)表現(xiàn)催化活性的增加對烷烴加氫裂解反應(yīng)催化活性的增加沒有那樣大。特別是用無機(jī)酸處理的氧化鋁為載體時制得的催化劑，對烯烴的加氫反應(yīng)活性基本不變，但對烷烴加氫裂解反應(yīng)幾乎沒有活性。如果以氧化鋁為載體不用共沉淀法而用沉積法制備時，催化劑對烯烴加氫和烷烴加氫裂解反應(yīng)都有活性。根據(jù)對這些催化劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用共沉淀法制造的鎳一氧化鋁催化劑，特別是以無機(jī)酸處理過的氧化鋁為載體制得的催化劑，不再含有游離狀態(tài)的鎳。所有的鎳都和氧化鋁化合生成了鋁酸鎳。用沉積法制得的催化劑，部分或大部分金屬鎳仍機(jī)械地載持在氧化鋁或氧化硅的表面上。由于催化劑結(jié)構(gòu)上的變化不同，所以催化性能也不同。

    活性物質(zhì)與載體之間是否發(fā)生化學(xué)作用，決定于活性物質(zhì)和載體的化學(xué)本性。某些制備方法，例如共沉淀法，只是提供了發(fā)生這種化學(xué)作用的條件。

    當(dāng)用天然原料為載體時，這時載體的預(yù)處理是很重要的。因為天然原料，像硅藻土和高嶺土等，常常包含有害的陽離子雜質(zhì)，這些雜質(zhì)進(jìn)入活性物質(zhì)中時，就可能改變催化劑的性能。催化劑的制備過程中，常常利用載體的原有催化性能，再用某種方法載上具有另一催化性能的活性物質(zhì)，這樣就可以制得所謂雙功能催化劑。固體酸如氧化鋁和硅酸鋁等，是具有異構(gòu)化能力的載體，而金屬鉑和鈀等是具有加氫和脫氫性能的金屬，因此將鉑或鈀載在固體酸上，即可制得雙功能催化劑。

第六節(jié)化劑毒物

    化劑的活性和選擇性可能由于微量外來物質(zhì)的存在而下降，這種現(xiàn)象做化劑的中，而外來的微量物質(zhì)則叫做化劑毒物。

    在工業(yè)生產(chǎn)中化劑毒物通常來自原料，有時毒物也可能在催化劑制備過程中混入，或是來自其他方面的污染由于中毒作用通常僅發(fā)生在化活性物質(zhì)的表面上，所以微量毒物就能引起化劑活性的顯著下降。例如有人試驗，0，16％的砷能使銷的活性下降一半，而0，01％的氫酸使鎳催化劑完全失去活性。

    因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，對一定反應(yīng)來說，哪些是催化劑的毒物?如何才能防止催化劑的中毒?以及怎樣才能恢復(fù)已中毒催化劑的活性?都是為延長催化劑使用期限必須注意的問題。

一、催化劑毒物的種類和結(jié)構(gòu)

    催化劑的中毒過程，在本質(zhì)上多為毒物與催化活性物質(zhì)間發(fā)生了某種化學(xué)作用。既然這種過程具有化學(xué)的性質(zhì)，那么對于相同類型的反應(yīng)，毒物可能是相同的。例如對加氫反應(yīng)的金屬催化劑，毒物為周期表中VA(N、P、As、Sb)和MA(O、S、Se、Te)族的非金屬化合物，以及d-電子層中至少含5個電子的金屬離子。

    這種非金屬化合物毒物，在結(jié)構(gòu)上具有一個共同的性質(zhì)，即都會有未共用的電子對。當(dāng)由于某種化學(xué)變化失去這種未共用的電子對時，中毒隨之消失。對周期表中第族金屬和銅的某些毒物和非毒物的結(jié)構(gòu)列于表1-3。由表可見，用簡單的化學(xué)方法可將某些物質(zhì)的有毒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒結(jié)構(gòu)。例如用成鹽方法將有毒的氨分子轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒的銨離子;用加氫然后再氧化的方法將有毒的噻轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒的環(huán)丁砜。

    對于金屬催化劑，某些金屬及其鹽類的混入可能引起中毒。

例如對銷和鈀，汞、鉛、、錫、鋅、鎘、銅、鐵都能引起中毒一般說來，對不同類型的反應(yīng)和不同的化劑，化劑毒物也可能不同(表1-4)。

二、可逆中毒與不可逆中毒

    催化劑的中毒是由于毒物與活性物質(zhì)之間發(fā)生了某種作用而破壞或遮蓋了活性表面所致。因此，可根據(jù)這種作用的性質(zhì)和強(qiáng)弱將中毒過程分為兩類:一類是毒物在活性表面上的吸附或化合較弱，可用簡單的方法使催化活性恢復(fù)，這類中毒叫做可逆中毒，或暫時中毒，另一類是毒物與表面的結(jié)合很強(qiáng)，不能用一般的方法將毒物除去，這類中毒叫做不可逆中毒，或永久中毒?？赡嬷卸九c不可逆中毒，可用催化劑的活性與操作時間之間關(guān)系的差別來說明，見圖1-3。(1)表示可逆中毒，(2)表示不可逆中毒?？梢钥闯?，活性曲線的形式顯著不同。

    對合成氨的鐵催化劑，由氧和水蒸汽所引起的中毒作用，可用加熱還原的方法使催化劑恢復(fù)活性，所以是可逆的而由硫化物引起的中毒作用，很難用一般方法將硫除去，所以是不可逆的。

三、溫度對中毒作用的影響

    在不同溫度下，毒物與活性物質(zhì)的作用可能不同。以硫化物為例，對金屬催化劑來說有三個溫度范圍。當(dāng)溫度低于100℃時，硫的價電子層中存在的自由電子對是產(chǎn)生毒性的原因。這種自由電子對與催化劑中過渡金屬的d電子形成配價鍵，毒化催化劑。例如硫化氫對鉑的中毒就屬于這種類型。而沒有自由電子對的硫酸在低溫下對加氫反應(yīng)就沒有毒性。當(dāng)溫度高于100℃時，例如在200～300℃時，不管硫化物的結(jié)構(gòu)如何，都具有毒性。這是由于在較高的溫度下，各種結(jié)構(gòu)的硫化物都能與這些金屬發(fā)生化學(xué)作用。現(xiàn)代工業(yè)催化過程，大都在較高的溫度下進(jìn)行，因此對原料中的所有硫化物都要進(jìn)行嚴(yán)格地脫除。當(dāng)溫度高于800℃時，中毒作用變?yōu)榭赡娴?。因為在這樣高的溫度下，硫與活性物質(zhì)原子間的化學(xué)鍵不再是穩(wěn)固的。

四、選擇中毒和毒物的利用

    常常觀察到已中毒的催化劑，可能失去對這一個反應(yīng)的催化能力，但對另一個反應(yīng)仍具有催化活性，這種現(xiàn)象叫做催化劑的選擇中毒。被二硫化碳中毒的鉑黑，失去了苯乙的加氫能力，但對環(huán)己烯的加氫反應(yīng)仍有活性。炔烴不完全加氫為烯烴時，鉑和鎳催化劑的選擇性由于下列物質(zhì)的去活化作用而提高，這些物

質(zhì)是Ag、Cu、Cd、Hg、ASn、Pb、Th、As、Sb、Bi、S、Se、Te、Fe及其鹽類。能夠引起化劑中毒的毒物含量，常存在一個濃度界線。毒物的這種濃度界線，因化劑、化學(xué)反應(yīng)以及反應(yīng)條件的不同而不同。有人試驗二硫化碳對鉑黑的中毒程度發(fā)現(xiàn):對02克鉑黑，加入0，1毫克二硫化碳時對環(huán)己烯加氫能力消失加入04毫克二硫化碳時對甲基苯基甲加氫能力消失加入0.5毫克二硫化碳時對肉桂酸側(cè)鏈加氫能力消失，當(dāng)加入0，8毫克二硫化碳時對硝基苯還原能力消失。氯對乙烯氧化為環(huán)氧乙烷的銀催化劑的作用，也存在類似的情況。當(dāng)銀中含氯離子量為0.059％時，乙烯氧化為環(huán)氧乙烷的速度未變，但氧化為二氧化碳和水的速度降低了，因而生成環(huán)氧乙烷的選擇性增加了。但當(dāng)氯在銀中的含量增至0.1％原子時，乙烯氧化為環(huán)氧乙烷和氧化為二氧化碳的速度都下降。

    從以上的例子可知，毒物并不是在所有情況下都是有害的。對于某些有毒物質(zhì)，當(dāng)把濃度控制在適宜的范圍內(nèi)時，還可以提高某一特定反應(yīng)的選擇性。

五、催化劑中的預(yù)防和再生

    催化劑在使用過程中活性下降的原因很多，其中催化劑的中毒是重要原因之一。因此，預(yù)防催化劑的中毒和使已中毒的催化劑恢復(fù)活性，是工業(yè)生產(chǎn)中的重要問題。

    人們在研制催化劑時，雖然總是希望制得的催化劑既具有足夠的活性、選擇性和熱穩(wěn)定性等，又具有強(qiáng)的廣泛的抗毒性能但是實際上制得的催化劑，對一些雜質(zhì)仍很敏感。為了避免催化劑的中毒，在一個新型催化劑投入工業(yè)生產(chǎn)以前，給出的催化劑性能中，通常都列出那些是毒物，以及這些毒物在原料中所能允許的最高含量。要求嚴(yán)格的低至百萬分之幾(ppm)，甚至十億分之幾(Pb)。當(dāng)原料中有害雜質(zhì)超過規(guī)定的濃度時，必須對原料進(jìn)行精制。精制的方法很多，根據(jù)雜質(zhì)的性質(zhì)和濃度，可以用酸性和堿性溶液吸收;可以用固體吸附劑吸附或者利用化學(xué)方法，進(jìn)行精制，如用催化加氫法脫除烴類中的有機(jī)硫和甲烷化

法脫除氫氣中的CO和CO2等。

    在工業(yè)生產(chǎn)中，對于偶然中毒的催化劑，通?？梢杂脷錃?、空氣或水蒸汽再生。如石油和石油化學(xué)工業(yè)中，副反應(yīng)產(chǎn)物在催化劑表面上的沉積是最常見的造成催化劑活性下降的現(xiàn)象。這對催化劑的活性表面來說只是一種簡單的物理遮蓋，并不破壞活性表面的結(jié)構(gòu)。因此，只要將沉積物燃燒掉，就可以使催化劑的活性再生。

    催化劑的再生操作，可以在固定床、移動床或流化床中進(jìn)行。再生操作的方式取決于許多因素。首先是催化劑活性的下降速度。一般說來，當(dāng)催化劑的活性下降比較慢，例如能允許數(shù)月或一年再生時，可采用固定床再生。采用固定床再生設(shè)備投資少，操作也容易。但是，對于反應(yīng)周期短需要進(jìn)行頻繁再生的催化劑，最好采用移動床或流化床連續(xù)再生，例如石油流化床催化裂化裝置就是一個典型的例子。由于移動床或流化床再生，需要兩個反應(yīng)器分別供反應(yīng)和再生用。顯然，這種再生方法設(shè)備投資高，操作也復(fù)雜。但連續(xù)再生方法能使催化劑始終保持著新鮮的表面，因而提供了催化劑充分發(fā)揮催化效能的條件，所以最近也出現(xiàn)將長周期固定床再生改為移動床連續(xù)再生的，例如輕油連續(xù)重整，這樣在經(jīng)濟(jì)上收益更大。

第七節(jié)吸附與催化

    固體的表面能吸附各種氣體或液體分子。吸附速度、吸附量和吸附類型與固體和被吸附分子的性質(zhì)以及進(jìn)行吸附的條件有關(guān)。這種吸附現(xiàn)象與多相催化作用間有密切的關(guān)系。根據(jù)分子在固體表面上的吸附性質(zhì)，可將吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類。

    物理吸附在低溫出現(xiàn)。和氣體的凝聚一樣，是靠分子間的范德華力進(jìn)行的。因此吸附熱不大，通常只有幾千卡/克分子。這種吸附速度快，很容易達(dá)到平衡，而且這種平衡是可逆的。物理吸附?jīng)]有選擇性，整個固體的自由表面都參加物理吸附。在第三章中即將看到的正是利用物理吸附現(xiàn)象來測定催化劑的比表面。

    由于物理吸附在低溫下進(jìn)行，并且吸附隨溫度的升高而下降，所以物理吸附在催化作用中的影響是很小的。因為催化反應(yīng)的溫度通常要高得多。

    化學(xué)吸附與物理吸不同。化學(xué)吸附時被吸附分子與固體發(fā)生了某種化學(xué)作用，具有化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)，吸附熱一般大于10千卡/克分子。所以只有當(dāng)吸附溫度高于某一定值時，化學(xué)吸附的速度才能以顯著的速度進(jìn)行。在一定溫度范圍內(nèi)，化學(xué)吸附的速度隨溫度的升高而增加?；瘜W(xué)吸附有一定的選擇性，并且在許多情況下吸附是不可逆的。被吸附分子的解吸，常常需要升高溫度和降低壓力才能實現(xiàn)。有時解吸的分子也發(fā)生了變化。例如O2在W上的化學(xué)吸附，在解吸后有WO3生成;化學(xué)吸附的CO在氧化物表面上解吸后有CO2生成。

    物理吸附和化學(xué)吸附常常相繼發(fā)生或同時發(fā)生。一般在低溫發(fā)生物理吸附，隨著溫度的升高過渡到化學(xué)吸附。圖1-4是且2在MnO2+Cr2O3催化劑上的吸附等壓線。曲線明顯的有一個極小值和一個極大值。極小值的位置相當(dāng)于物理吸附向化學(xué)吸附的過渡。極大值的位置相當(dāng)于化學(xué)吸附量達(dá)到的最大值。

    在很多情況下，進(jìn)行多相化反應(yīng)的最適溫度恰好與反應(yīng)物進(jìn)行化學(xué)吸附的溫度一致。例如，進(jìn)行氨合成反應(yīng)的溫度正好與氮的化學(xué)吸附溫度相符。

    現(xiàn)在一般公認(rèn)，化學(xué)吸附是多相催化過程的必經(jīng)階段之一，但是它在過程中的作用還遠(yuǎn)沒有搞清楚。可以認(rèn)為，化學(xué)吸附能使吸附分子變形，從而提高了分子的反應(yīng)能力。

第八節(jié)催化作用與反應(yīng)速度

    在化學(xué)反應(yīng)中，由反應(yīng)物變?yōu)楫a(chǎn)物，反應(yīng)物分子的原子或原子團(tuán)必須重新組合，也就是說在反應(yīng)的過程中，反應(yīng)物分子的某些化學(xué)鍵斷裂，在產(chǎn)物分子中有一些新鍵生成。例如，由氮和氫合成氨的反應(yīng) N2+3H2>2NH3

每生成2個NH分子，要斷裂1個N=N鍵和3個H一H鍵，并有6個N一鍵形成。

    上述反應(yīng)只有當(dāng)N2和且2分子獲得足夠能量時才能實現(xiàn)。這樣的分子稱為活化分子。在一般條件下，活化分子的數(shù)目太少了，以致反應(yīng)實際上并不進(jìn)行。

    處于活化狀況能進(jìn)行反應(yīng)的分子所具有的最低能量與普通分子所具有的平均能量之差稱為該反應(yīng)的活化能。通常以E表示。

    這樣看來，對于非催化反應(yīng)，要使反應(yīng)順利進(jìn)行，就必須尋找使更多的反應(yīng)分子獲得至少等于E的額外能量的方法。升高反應(yīng)溫度是最重要也是最常用的方法之一。然而在高溫下進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)有許多缺點，況且有很多反應(yīng)甚至在高溫下處于活化狀態(tài)的分子數(shù)仍然很少，反應(yīng)速度還是很慢。

    催化反應(yīng)則是另一種情況。借助于催化劑的作用使反應(yīng)的活化能降低，從而加快了反應(yīng)速度。換句話說，反應(yīng)分子不需要具有象非催化過程里那么高的能量就能進(jìn)行反應(yīng)。表1-5列出了些反應(yīng)的非催化過程和催化過程的活化能值。由表可以看出，催化過程比非催化過程的活化能普遍降低，而且降低的幅度很大。

    由于反應(yīng)速度(或反應(yīng)速度常數(shù))與活化能為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，所以活化能的降低對反應(yīng)速度的增加影響極大，通常增加千百萬倍！

    催化劑使反應(yīng)活化能降低的原因是由于在催化劑的作用下使反應(yīng)沿著新的途徑進(jìn)行，新的反應(yīng)途徑常常是由一系列基元反應(yīng)組成的。這可由圖15能量圖看出來。圖中縱座標(biāo)表示體系的能量，橫座標(biāo)表示反應(yīng)過程的反應(yīng)座標(biāo)。對于簡單反應(yīng)A→B非催化反應(yīng)活化能為E，而健化反應(yīng)的活化能第一步為E1，即分子A在催化劑表面上化學(xué)吸附的活化能，第二步為E2，即表面化合物AK為變成B+K的活化能。E和E2都小于E，并且E，+E，通常也小于E。

    以上為了說明問題，把問題簡化了。事實上催化劑在反應(yīng)中的作用要復(fù)雜得多。詳細(xì)地研究這些問題，是催化動力學(xué)的任務(wù)。

第九節(jié)催化作用與化學(xué)平衡

    綜上所述，可知化劑確能加速化學(xué)反應(yīng)的速度，有時甚至將實際上并不進(jìn)行的反應(yīng)加速到瞬間即可完成。例如，將純凈的氫和氧的混合氣體(爆鳴氣)在9℃時生成0，15％的水要長達(dá)1060億年的時間。如果在這種混合氣體中加入少量的催化劑鉑石棉，反應(yīng)即以爆炸的速度進(jìn)行，瞬間完成。

    催化劑對化學(xué)反應(yīng)具有如此巨大的威力，很自然地人們會間催化劑能不能使一切物質(zhì)間發(fā)生反應(yīng)并加速它?例如，在通常的條件下能不能利用催化劑將水分解為氫和氧，從而得到取之不盡的能量來源?這是不可能的。

    原來物質(zhì)與物質(zhì)間能否進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，以及反應(yīng)進(jìn)行到多大程度(轉(zhuǎn)化率)，是由參加反應(yīng)的物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)條件決定的。

    在化學(xué)上是由反應(yīng)體系自由能(或稱化學(xué)位)的改變(4F)決定的。這好象水只可能由高向低處流，而不可能由低處自動地向高處流一樣。

    自由能的變化F與化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)K。可由下列熱力學(xué)關(guān)系式聯(lián)系起來

  △F°=- RTINKp

    對于任意氣相反應(yīng)

bB+dD≒gG+rR

達(dá)到平衡時，平衡常數(shù)Kp

式中PG、PR、PB和PD為相應(yīng)組份的分壓。

    如果?Fº為一個較大的負(fù)值時，在任何情況下反應(yīng)總是由左向右進(jìn)行的例如H2+士2→H2O如果F為一個較大的正值時，則不論用什么催化劑，使反應(yīng)由左向右方向進(jìn)行總是不可能實現(xiàn)的，例如H2O→H2+1/2 O2。這就是說，催化劑不能使在一定條件下熱力學(xué)上(理論上)不可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。

    催化劑的存在毫不影響?Fº值，因而也不會影響平衡常數(shù)Kp,這就是說催化劑不能改變反應(yīng)系統(tǒng)最終所能達(dá)到的平衡值。例如，將氮和氫按1:3克分子混合，在500℃和300個大氣壓下，平衡時氨的濃度為27％克分子。在這樣的條件下，這是理論上氨的濃度所能達(dá)到的最高值。不論催化劑的活性有多大，也不能使氨的平衡濃度大于這個數(shù)值。

    由此可以得出如下結(jié)論:催化劑既不能使那些在熱力學(xué)上不可能發(fā)生的反應(yīng)發(fā)生，又不可能改變反應(yīng)所能達(dá)到的平衡，它只能改變化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡的速度。

    這個結(jié)論絲毫不降低催化劑的重要性。相反的，它告訴人們在什么情況下以及怎樣才能更好的發(fā)揮催化劑的作用。這個結(jié)論的重要性在于，指出不要為那些在熱力學(xué)上不可能實現(xiàn)的反應(yīng)白自浪費人力物力去尋找高效催化劑，并且指出根據(jù)熱力學(xué)上的計算，在一定條件下某一工業(yè)過程離平衡還有多大的潛力，以及如何選擇更有利的反應(yīng)條件去尋找適宜的催化劑。這就是化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)的結(jié)合在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用。實際上，催化作用是化學(xué)動力學(xué)的一個重要分支。